施工阶段水化热分析

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水化热施工阶段分析施工阶段水化热分析45 水化热施工阶段分析目录概要3分析模型截面数据/5材料热特性值/7结构建模8设定建模环境/8定义构件材料/9定义时间依存材料/10连接一般材料与时间依存材料/11建立结构模型/12输入水化热分析数据25水化热分析控制/25输入大气温度/26输入对流系数/27定义固定温度条件/31定义放热函数/32定义施工阶段/34运行结构分析37查看分析结果37查看温度变化/38查看应力变化/40查看时程图形/42使用动画查看结果/4645 水化热施工阶段分析概要目前大体积混凝土、高强混凝土以及耐久性混凝土正被广泛应用于实际工程中，由水化热引起的温度裂缝也逐渐成为设计人员所关注的课题。水化热引起的温度裂缝大多发生在结构施工初期宽度较大且贯通裂缝比较多，对结构的耐久性、透水性会产生严重影响，因此在设计、施工以及监理阶段需要详细验算水化热引起的温度应力。另外，大体积混凝土结构是分阶段浇筑的，分阶段浇筑的混凝土具有不同的混凝土材龄和热特性值，所以必须分施工阶段做水化热分析。因混凝土水化热引起的温度应力大体分为内部约束应力和外部约束应力。内部约束应力是因为混凝土温度分布的不平衡约束了结构体积的膨胀而发生的应力。在水化反应初期，混凝土表面温度和内部温度差使混凝土表面发生张拉应力；在温度下降阶段因为内部收缩变形大于表面，所以在混凝土内部发生张拉应力。内部约束应力的大小与结构物内外温度差成比例。外部约束应力是因为已浇筑的混凝土或地基表面约束了正在浇筑的混凝土的温度变形而发生的应力。外部约束的影响与接触表面的宽度和外部约束刚度有关。水化热分析包括热传导分析(HeatTransferAnalysis)和温度应力分析(ThermalStressAnalysis)两个过程。热传导分析是计算节点温度随时间的变化量，即计算因水泥水合过程中发生的放热、对流、传导引起的节点温度变化。温度应力分析是使用热传导分析得到的各时间段的节点温度分布以及材料随时间变化的特性、混凝土随时间变化的收缩、混凝土随时间和应力变化的徐变等，计算大体积混凝土各施工阶段应力。本例题对分两阶段浇筑的基础做了施工阶段分析。45 水化热施工阶段分析分段浇筑的混凝土水化热施工阶段分析的建模和分析过程如下。输入一般构件的材料特性值弹性模量、比热、热传导系数输入时间依存性材料特性徐变和收缩、考虑弹性模量的变化建立结构模型建立单元和边界条件水化热分析控制定义积分常数、初始温度环境温度函数对流系数函数单元对流边界输入环境温度函数和对流系数函数之后，定义单元对流边界。固定温度对温度不随时间变化的部分输入固定温度热源函数分配热源输入热源函数之后分配给相应单元管冷考虑管冷时，输入有关数据(选择步骤)施工阶段定义各施工阶段的单元和边界条件运行结构分析热传导分析和温度应力分析查看分析结果查看各时间段温度分布和温度应力*为了明确分析因材龄不同引起的混凝土间的内部约束影响，在本例题中没有包含管冷步骤。关于管冷的内容请参照主页上的“例题7.水化热分析”。45 水化热施工阶段分析分析模型截面数据本例题使用了实际设计当中经常使用的大体积平板基础作为水化热分析的模型。如图1所示，分两阶段浇筑基础平板。第一次浇筑170小时以后浇筑第二段，对第二阶段浇筑的混凝土水化热分析时间为930小时。如图1所示，如果将地基作为弹性支撑建立水化热分析模型的话，则不能正确体现混凝土的热量向地基传播的过程。所以应将地基建成具有比热和热传导率等特性的构件，才能正确反应结构物的水化热传播过程。地基:24x19.2x3m筏板基础(第一阶段浇筑):14.4x9.6x2.4m(170小时)筏板基础(第二阶段浇筑):14.4x9.6x2.4m(930小时)水泥类型:低热水泥第二阶段混凝土第一阶段混凝土2.4m地基2.4m9.6m14.4m3m19.2m24m图1水化热施工阶段分析模型45 水化热施工阶段分析因为本例题模型具有对称性，所以如图2所示可以使用1/4模型做结构分析。使用对称模型不仅缩短了分析时间，在查看混凝土内部的温度分布和应力分布时也非常方便。9@0.8=7.24@0.6=2.44@0.6=2.45@0.6=36@0.8=4.812@0.8=9.615@0.8=12图2水化热施工阶段分析模型(1/4对称模型)45 水化热施工阶段分析材料热特性值使用的材料以及热特性值参见表1。表1使用材料以及热特性值构件位置物理特性下层基础上层基础地基比热(kcal/kg℃)0.250.250.2比重(kgf/m3)250025001800热传导率(kcal/mhr℃)2.32.31.7对流系数(kcal/m2hr℃)暴露表面121212钢模板1212-大气温度(℃)2020-浇筑温度(℃)2020-91日抗压强度(kgf/cm2)270270-强度进展系数a=4.5b=0.95a=4.5b=0.95-91日弹性模量(kgf/cm2)2.7734×1052.7734×1051.0×104热膨胀系数1.0×10-51.0×10-51.0×10-5泊松比0.180.180.2单位体积水泥含量(kgf/m3)320320-放热函数系数K=33.97a=0.605K=33.97a=0.605-本例题使用低热水泥，最大绝热温升(K)和导温系数(a)使用单位体积水泥含量的有关实验数据。45 水化热施工阶段分析结构建模设定建模环境打开新项目(新项目)，保存(保存)为“水化热施工阶段.mcb”。文件/新项目文件/保存(施工阶段水化热)如图3所示，将单位体系设置为m,kgf。工具/单位体系长度>m；力>kgf¿图3设定单位体系45 水化热施工阶段分析定义构件材料输入筏式基础和地基的材料。模型/特性值/材料一般>材料号>1;名称>(筏式基础);类型>混凝土混凝土>设计标准>KS-Civil(RC);C270热传导>比热>(0.25);热传导>(2.3)¿一般>材料号>2;名称>(地基);类型>用户定义弹性模量>(1.0e+8);泊松比>(0.2)导热系数>(1.0e-5);比重>(1800)热传导>比热>(0.2);热传导>(1.7)¿图4定义构件材料45 水化热施工阶段分析定义时间依存材料为了考虑徐变、收缩以及弹性模量的变化，定义时间依存材料。²定义编辑弹性模量的方法请参照韩国混凝土标准规范29章大体积混凝土章节。模型/特性值/时间依存材料(徐变/温度收缩)名称>(徐变/温度收缩);设计标准>编辑弹性模量²编辑弹性模量>n1>(3);phi1>(0.73);n2>(5);phi2>(1)¿模型/特性值/时间依存材料(强度进展)²有关强度进展公式的设计规范说明请参照用户在线手册中的“CIVIL的功能>模型>特性值>时间依存材料(强度进展)”章节。名称>(C);类型>设计标准²设计标准>韩国标准混凝土91天抗压强度(S91)>(2700000)系数a>(4.5);b(0.95)¿图5定义时间依存材料45 水化热施工阶段分析连接一般材料与时间依存材料将前面定义的一般材料与时间依存材料连接起来。模型/特性值/连接时间依存材料时间依存材料类型>徐变/收缩>徐变/收缩时间依存材料类型>弹性>弹性选择分配的材料>材料>1:筏式基础操作>图6连接一般材料和时间依存材料45 水化热施工阶段分析建立结构模型首先在地基下面四周建立节点(位置由用户随意选定)，连接节点建立平面单元，使用扩展单元功能建立实体单元。点栅格(关);捕捉点栅格(关);捕捉轴网(关)顶面自动对齐模型>节点>建立节点坐标(0,0,0);(12,0,0);(12,9.6,0);(0,9.6,0)模型>单元>建立单元单元类型>板连接节点>(1,2,3,4)8图7建立地基板单元45 水化热施工阶段分析使用扩展单元功能建立实体单元模型。标准模型>单元>扩展单元全选扩展类型>平面单元à实体单元原目标>删除(开)单元类型>实体单元;材料>1:筏式基础生成方式>移动间距>等间距>dx,dy,dz>(0,0,7.8)¿图8建立实体单元45 水化热施工阶段分析分割单元使用分割单元功能分割单元。单元形状可以建成同结构形状类似，对于应力变化较大的区域以及用户关心的部位可以将单元的大小分割得小一些密一些。地基部分的单元不必划分得太细，划分单元的原则之一为同一单元内的应力变化不要太大。本例题为了建模方便将模型划分成了同一大小的单元。模型/单元/分割单元全选分割单元>单元类型>实体单元;等间距分割数量x:(15);y:(12);z:(13)¿消隐显示>节点>节点(关)图9分割实体单元45 水化热施工阶段分析使用扩展单元功能和分割单元功能建立四边形立体单元网格，然后删除模型中不需要的单元。正面收缩模型>单元>删除单元窗口选择(图10的①)类型>选择;自由节点(开)¿图10删除单元45 水化热施工阶段分析将视点转换到左面，删除没有包含在模型中的单元。左面模型>单元>删除单元窗口选择(图11的①)类型>选择;自由节点(开)¿标准①左面ZY图11删除单元45 水化热施工阶段分析因为使用扩展单元功能建立实体单元时，构件的材料均定义成了混凝土，所以应修改地基的材料。树形菜单>工作表单²修改单元特性时可以使用修改单元特性值命令。窗口选择(图12的①)特性值>材料>2:地基(拖放)²①拖放图12赋予地基材料特性45 水化热施工阶段分析建立单元群和边界群为乐做施工阶段分析，首先要定义各施工阶段(constructionstage)内激活和钝化的单元群和边界群，并利用单元群和边界群定义施工阶段。首先建立结构群。C群>结构群>新建...定义结构群>名称>地基¿定义结构群>名称>筏式基础(下层)¿定义结构群>名称>筏式基础(上层)¿图13建立结构群45 水化热施工阶段分析定义单元群将单元赋予前面定义的结构群。首先将地基部分赋予名称为“地基”结构群。树形菜单>群表单窗口选择(图14的①)结构群>地基(拖放)拖放①图14定义结构群(地基)45 水化热施工阶段分析定义第一阶段浇筑的筏式基础的下层和第二阶段浇筑的筏式基础的上层为不同的结构群。树形菜单>群表单窗口选择(图15的①)结构群>筏式基础(下层)(拖放)窗口选择(图15的②)结构群>筏式基础(上层)(拖放)拖放①拖放②图15定义结构群(筏式基础(下层)和筏式基础(上层))45 水化热施工阶段分析定义边界群为了按群的方式输入边界条件，如图16所示定义边界群。C群>边界群>新建...定义边界群>名称>约束条件¿定义边界群>名称>对称条件¿定义边界群>名称>固定温度条件¿定义边界群>名称>对流边界;序号>1to3²¿图16定义边界群45 水化热施工阶段分析以群的方式输入地基的边界条件。为了方便建模，使用正面和左面功能建立多个建模窗口。窗口/新窗口左面;消隐;收缩点栅格(关);捕捉点栅格(关);捕捉轴网(关)模型空间窗口/水平排列对齐缩放(模型空间和模型空间:1)模型/边界条件/支撑窗口选择(图17的①)窗口选择(图17的②)边界群名称>约束条件²实体单元没有旋转方向自由度，所以只约束移动方向自由度。选项>添加支撑类型>D-All(开)²¿FrontViewLeftView图17定义地基的边界条件45 水化热施工阶段分析查看输入的地基边界条件。标准;最大(图17的③)图18输入的地基边界条件45 水化热施工阶段分析因为是1/4对称模型，所以输入对称边界条件。正面;收缩(关)窗口/水平排列模型/边界条件/支撑窗口选择(图19的①)边界群名称>对称条件;选项>添加支撑类型>Dx(开)¿窗口选择(图19的②)边界群名称>对称条件;选项>添加支撑类型>Dy(开)¿正面X轴-对称条件①左面Y轴-对称条件②图19输入对称边界条件(1/4对称模型)45 水化热施工阶段分析输入水化热分析数据水化热分析控制²해석조건지정에관한설명은AnalysisforCivilStructures의“수화열해석”과on-linemanual의“CIVIL의기능>Analysis>HydrationHeatAnalysisControl”부분참조.建立了结构模型之后输入热传导分析所需的时间离散系数、初始温度以及输出的应力位置。²模型空间>最大分析/水化热分析控制最终阶段>最后阶段积分系数>(0.5)初始温度>(20)输出应力位置>高斯点徐变和收缩(开);类型>徐变和收缩¿图20输入水化热分析控制数据45 水化热施工阶段分析输入大气温度将大气温度变化以函数方式输入。将大气温度定义为20℃。荷载/水化热分析数据/环境温度函数函数名称>(大气温度)函数类型>常量常量>温度>(20);¿图21输入环境温度函数45 水化热施工阶段分析输入对流系数将混凝土表面的对流系数以函数方式输入。荷载/水化热分析数据/对流系数函数²当混凝土养生条件发生变化时，因为混凝土表面和大气的热交换形式发生了变化，所以应将函数类型定义为用户定义之后调整对流系数。函数名称>(对流系数)函数类型>常量²常量>对流系数>(12);¿图22输入对流系数函数45 水化热施工阶段分析将前面定义的大气温度和对流边界条件赋予与大气接触的混凝土表面。因为各施工阶段与大气接触的混凝土表面发生变化，所以将大气温度和对流边界条件分别赋予前面定义的对流边界1、对流边界2、对流边界3。首先指定第一阶段浇筑的混凝土与大气接触的表面以相应的大气温度和对流边界条件。第一阶段和第二阶段混凝土的接触面在浇筑第二阶段混凝土时不再与大气直接接触，所以应将其定义为其它的群。窗口/水平排列荷载/水化热分析数据/单元对流边界窗口选择(图23的①)边界群名称>对流边界1选项>添加/替换对流边界>对流系数函数>系数函数环境温度函数>大气温度选择>选择节点¿窗口选择(图23的②)¿正面左面图23定义对流边界条件145 水化热施工阶段分析定义第一阶段和第二阶段混凝土的接触面的对流边界条件。荷载/水化热分析数据/单元对流边界窗口选择(图24的①)边界群名称>对流边界2选项>添加/替换对流边界>对流系数函数>系数函数环境温度函数>大气温度选择>选择节点¿正面①左面图24定义对流边界条件245 水化热施工阶段分析定义第二阶段浇筑的混凝土的对流边界。荷载/水化热分析数据/单元对流边界窗口选择(图25的①)边界群名称>对流边界3选项>添加/替换对流边界>对流系数函数>系数函数环境温度函数>大气温度选择>选择节点¿窗口选择(图25的②)¿正面①左面②图25定义对流边界条件345 水化热施工阶段分析定义固定温度条件对温度不随时间变化的单元赋予固定温度条件。在没有输入对称边界条件或对流边界条件的外部表面(地基的边界条件)输入固定温度。荷载/水化热分析数据/固定温度窗口选择(图26的①)边界群名称>固定温度条件选项>添加温度>温度(20)¿窗口选择(图26的②)¿正面左面①②图26输入固定温度条件45 水化热施工阶段分析定义放热函数输入单元的放热函数。放热函数描述的是混凝土水化过程的放热状态，放热函数与水泥种类和水泥单位体积使用量决定。荷载/水化热分析数据/热源函数函数名称>(放热函数)函数类型>设计标准²本例题使用的是低热水泥，最大绝热温升和导温系数使用了实验值。函数>最大绝热温升(K)>(33.97)²导温系数(a)>(0.605);²¿图27定义放热函数45 水化热施工阶段分析将放热函数赋予混凝土。荷载/水化热分析数据/分配热源窗口选择(图28的①)选项>添加/替换热源>放热函数¿①图28赋予放热函数45 水化热施工阶段分析定义施工阶段使用前面定义的结构群和边界群定义施工阶段，输入水华热分析时间。首先将浇筑第一阶段混凝土定义为第一施工阶段(CS1)。荷载/水化热分析数据/定义水化热分析施工阶段施工阶段>名称>(CS1)²在步骤中输入的分析时间为累计时间。步骤>时间(小时)>(1020305080120170)²单元>群列表>地基;筏式基础(下层)激活>边界条件>群列表>约束条件;对称条件;固定温度条件;对流边界1;对流边界2激活>¿图29定义第一施工阶段45 水化热施工阶段分析将浇筑第二阶段混凝土定义为第二施工阶段(CS2)。分析时间第二阶段浇筑完后930小时。荷载/水化热分析数据/水化热分析施工阶段施工阶段>名称>(CS2)步骤>时间(小时)>(1020305080120170300400500600750930)单元>群列表>筏式基础(上层)激活>边界条件>群列表>对流边界3激活>边界条件>群列表>对流边界2钝化>图30定义第二阶段的单元和边界条件45 水化热施工阶段分析在模型空间上查看输入的施工阶段。显示杂项表单水化热>单元对流边界(开);²将鼠标移动到施工阶段工具条上，使用键盘上的移动键上下移动选择施工阶段，在模型空间上将即时显示出各施工阶段的模型。固定温度(开);HeatSource(开)¿施工阶段>CS1²施工阶段工具条图31在模型空间上查看施工阶段(第一施工阶段)45 水化热施工阶段分析运行结构分析输入完水化热分析所需的所有数据之后运行结构分析。分析/运行分析查看分析结果本例题中因为混凝土内外温差引起的内部约束是产生应力的主要原因，内部约束是因混凝土不规则的体积变化引起的。在混凝土浇筑初期因表面和内部较大的温差引起膨胀变形从而使混凝土表面和内部分别产生拉应力和压应力。水化热引起的温升达到最高值后混凝土开始降温，所以在浇筑后期与初期材龄时相反混凝土内外将产生收缩变形差。因为内部的收缩变形比外部大，所以内部产生拉应力外部产生压应力。内部约束引起的应力大小与结构内部和外表面温差成比例。另外，具有不同材龄的混凝土的热传导特性是不相同，因此由不同材龄混凝土组成的结构的水化热分析也是比较复杂的问题。在MIDAS/CIVIL中可以使用图形、表格、图表、动画等多种手段查看各施工阶段的水化热分析结果。45 水化热施工阶段分析查看温度变化查看水化热分析中各施工阶段中每一步骤内产生的温度分布。如图32所示，第一施工阶段内的最大温度分布。动态旋转(如图32所示调整视点，观察对称面)结果/水化热分析/温度步骤>HYStep6,120Hr显示类型>等高线(开);图例(开)¿图32温度分布(第一施工阶段)45 水化热施工阶段分析查看施工阶段2的温度分布。因为是考虑施工阶段的分析，所以如图33所示已经浇筑完的下层筏式基础在第二施工阶段依然在产生放热反应。施工阶段工具条>CS2结果/水化热分析/温度步骤>HYStep4,220Hr显示类型>等高线(开);图例(开)¿图33温度分布(第二施工阶段)45 水化热施工阶段分析查看应力变化查看第一施工阶段的应力分布。图34为混凝土表面发生最大拉应力时的应力分布。将单位体系转换为kgf，cm后查看应力。状态条>kgf;cm施工阶段工具条>CS1结果/水化热分析/应力步骤>HYStep6,120Hr应力选项>全局坐标;节点平均应力成分>Sig-XX显示类型>等高线(开);图例(开)¿图34应力分布(第一施工阶段)45 水化热施工阶段分析查看第二施工阶段的应力分布。如图35所示，浇筑第二阶段混凝土后初期在第一阶段浇筑的混凝土边界表面产生了拉应力。其原因为第二阶段浇筑的混凝土的温升引起的体积膨胀在已浇筑完的第一阶段混凝土表面产生了张力。施工阶段工具条>CS2结果/水化热分析/应力步骤>HYStep6,290Hr应力选项>全局坐标;节点平均应力成分>Sig-XX显示类型>等高线(开);图例(开)¿图35应力分布(第二施工阶段)45 水化热施工阶段分析查看时程图形使用图形查看特定部位各施工阶段的水化热分析结果。一般查看的应是拉应力最大的部位，本例题为了更清楚地了解水化热分析的特征，如图36所示选择了任意的节点查看分析结果。首先选择查看的节点。第一阶段混凝土:内部(1476),表面(1988)第一阶段混凝土:内部(2308),表面(2818)结果/水化热分析/图形>定义节点输出>节点(1476);应力成分>Max(X,Y,Z)¿>定义节点输出>节点(1988);应力成分>Max(X,Y,Z)¿>定义节点输出>节点(2308);应力成分>Max(X,Y,Z)¿>定义节点输出>节点(2818);应力成分>Max(X,Y,Z)¿图36选择输出图形的节点45 水化热施工阶段分析查看第一施工阶段内部节点(节点:1476)的时程结果。结果/水化热分析/图形节点输出内容>N1476-Max(开)图形类型>容许应力图形(开);温度图形(开)X-轴类型>时间¿图37第一施工阶段混凝土内部应力时程45 水化热施工阶段分析查看第一施工阶段混凝土和第二施工阶段混凝土连接面节点(节点:1988)的时程结果。如图38所示，第二施工阶段混凝土的温升引起的体积膨胀对第一施工阶段混凝土有张拉反应。结果/水化热分析/图形节点输出内容>N1988-Max(开)图形类型>容许应力图形(开);温度图形(开)X-轴类型>时间¿图38第二施工阶段混凝土表面应力时程45 水化热施工阶段分析查看第一施工阶段混凝土内部和表面的温度时程。结果/水化热分析/图形节点输出内容>N1476-Max(开);N1988-Max(开)图形类型>温度图形(开)X-轴类型>时间¿内部(1476)表面(1988)第二施工阶段图39第一阶段浇筑的混凝土内部和表面的温度时程45 水化热施工阶段分析使用动画查看结果使用动画功能查看各施工阶段温度变化以及应力变化。结果/水化热分析/温度显示类型>等高线(开);图例(开);动画动画控制>动画等高线(开);全程重复施工阶段选项>施工阶段动画>从>CS1;到>CS2¿纪录¿关闭如果要保存为动画文件，在动画进行过程中按保存，即可保存为avi文件。纪录保存关闭图40使用动画查看温度变化45